【正文】 泵 P10 P10 P103泵入夾套反應(yīng)釜 R101，經(jīng)過均勻混合和預(yù)熱后進(jìn)入固定床反應(yīng)器 R102。反應(yīng)產(chǎn)物流含 PO、未反應(yīng)的 H2O甲醇及少量丙二醇，從管減壓后進(jìn)入環(huán)氧丙烷精餾塔 T101。塔頂餾分主要為未反應(yīng)丙烯，從管進(jìn)入冷凝器 E101，丙烯物流從管循環(huán)回反應(yīng)釜；塔底再沸器 E102不斷回流，使釜液中丙烯含 量降低。釜液進(jìn)入甲醇精餾塔 T102回收甲醇，為充分回收甲醇，在進(jìn)入一個甲醇回收塔 T103。最后進(jìn)入 PO 精餾塔 T104 制的較純的環(huán)氧丙烷， H2O2轉(zhuǎn)化率達(dá)%， PO收率為 %。 合成工段 將儲罐 V101摩爾分?jǐn)?shù)為 %的新鮮丙烯以 流量為 165kmol/h，儲罐 V102摩爾分?jǐn)?shù) 為%的雙氧水以流量為 55kmol/h 和 儲罐 V103 摩爾分?jǐn)?shù)為 %的甲醇以 流量 為1265kmol/h 分別經(jīng)泵 P10 P10 P103 進(jìn)入夾套反應(yīng)釜 R101 進(jìn)行混合與預(yù)熱?；旌衔锪辖?jīng)過反應(yīng)釜預(yù) 熱到 50℃，加壓到 8bar,進(jìn)入到反應(yīng)器 TS1 分子篩的催 化下，反應(yīng)生成環(huán)氧丙烷等產(chǎn)物。在反應(yīng)合成過程中反應(yīng)器溫度控制在 55℃ ，壓力為 2800kPa 下。反應(yīng)結(jié)束后雙氧水的轉(zhuǎn)化率為 %，產(chǎn)品環(huán)氧丙烷的選擇性 95%， 產(chǎn)品環(huán)氧丙烷的收率率為 78% 。 進(jìn)料量的控制 本次設(shè)計方案為常壓液體進(jìn)料，其中雙氧水、丙烯、甲醇進(jìn)料量分別為： hkmol 1265 165 55 321 ??? uhkmoluhkmolu，進(jìn)料 流量相對較大，22 要求壓力降小，流量測量準(zhǔn)確度高，調(diào)節(jié)閥靈敏度高，泄漏量小，以此保證進(jìn) 料量的穩(wěn)定。 我們在丙烯、雙氧水、甲醇儲罐 V101 、 V102 、 V103分別安裝液位計 LG 和液位變送器 LT 來控制反應(yīng)物料液位高度出料量。 泵的控制 離心泵將機(jī)械能通過在泵體內(nèi)作高速旋轉(zhuǎn)的葉片給液體以動能，將此動能（速度頭）轉(zhuǎn)化為靜壓頭，再排出泵外，表明離心泵流量和供給壓頭及轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系即為泵的特性曲線。而實際上泵的工作必須在一定的管路中進(jìn)行，因此，還需研究不同流量下為克服管路阻力所需有效壓頭的大小。實際操作中，二者統(tǒng)一于兩條曲線的交點，即工作點。調(diào)節(jié)離心泵的流量，必須改變 工作點使其符合新的要求。首先可以改變泵的特性曲線，通過改變泵的轉(zhuǎn)速或葉輪直徑來實現(xiàn)。其次可以改變管路特性曲線，比如改變閥門開啟度或在泵的出口加裝旁路。 本工藝中主要采用通過儀表檢測流量來改變閥門開啟度從而直接節(jié)流的方法。這種方法是在泵的出口管路上安裝流量控制顯示儀表（ FC），當(dāng)管道內(nèi)流量不等于設(shè)定值時，儀表向控制器發(fā)出信號，控制器調(diào)節(jié)管道上閥門開度，從而改變管道中的流量，使其趨于設(shè)定值。 合成工段 PID 圖如下： 23 分離工段 反應(yīng)完成后，反應(yīng)液中含有： （ 1）主反應(yīng)生成物：環(huán)氧丙烷 ； （ 2） 未完全反應(yīng)的反應(yīng)物及溶劑：丙烯、雙氧水和甲醇； （ 3）副產(chǎn)物：水、氧氣、丙二醇。 為了能夠充分利用原料，提高原料利用率，需要將未反應(yīng)的丙烯、雙氧水和甲醇循環(huán)回PO反應(yīng)器中繼續(xù)參加反應(yīng)，而氣液可以通過閃蒸進(jìn)行分離。由于甲醇、丙烯、水和 PO可形成共沸物，因此甲醇、丙烯、雙氧水的回收和 PO的分離提出需要通過精餾完成。 回收丙烯 反應(yīng)器 產(chǎn)生的氣相混合物、液相混合物 直接進(jìn)入一個 丙烯精餾 塔 T101。丙烯精餾 塔T101主要是為了回收丙烯到反應(yīng)釜中從而對丙烯重復(fù)利用。 從塔頂冷凝器 E101冷凝得到的的丙烯進(jìn)入反應(yīng)釜。冷 凝器控制 溫度為 96℃，壓強(qiáng)為 。 塔釜再沸器 E102溫度控制在 ℃，壓強(qiáng)為 8bar, 溫度控制在 50℃左右 。 塔底PO和甲醇等混合物從釜底再沸器 E102中餾出到甲醇回收塔 T102。 24 25 回收甲醇 由丙烯精餾塔底部 E102采出料液進(jìn)入甲醇精餾塔 T102。采用精餾的方式分離 PO和甲醇。含 PO和甲醇的混合液從塔進(jìn)入后，塔頂設(shè)冷凝器 E103，溫度為 ℃，壓強(qiáng)為 。塔底設(shè)再沸器 E104，溫度為 ℃ ，壓強(qiáng)為 。由于甲醇含量較多，只由一個精餾塔回收， PO中含甲醇太多，故需要第二個精餾塔來進(jìn)行二次回收甲醇。塔釜再沸器 E104的含部分有機(jī)物的甲醇回到反應(yīng)釜中作為溶劑再次利用，塔頂冷凝器中采出物進(jìn)入第二個甲醇精餾塔 T103。與 T102原理相同，塔釜再沸器 E106的甲醇餾出液回到反應(yīng)釜中作為溶劑再次利用， 溫度控制在 ℃，壓強(qiáng)為 。 塔頂冷凝器 E105中采出物進(jìn)入 PO精餾塔T104。 溫度控制在 ℃，壓強(qiáng)為 。 分離環(huán)氧丙烷 由甲醇精餾塔 T103塔頂冷凝器 E105進(jìn)入換熱器 E107,再進(jìn)入 PO精餾塔 T104，此塔操26 作壓力為 8bar, 溫度控制在 50℃ 。從塔頂冷凝器 E108出少量環(huán)氧丙烷和為回收干凈的丙烯，溫度控制在 41℃，壓強(qiáng)為 1bar。 塔底再沸器 E109得到較純的 PO，送入 PO儲罐。 E109溫度控制在 ℃，壓強(qiáng)為 8bar。 精餾塔塔頂?shù)目刂? 由塔頂采出的氣相物質(zhì)進(jìn)入塔頂冷凝器換熱成液相，部分冷凝后的液相回流回塔內(nèi)，另一部分液相物質(zhì)作為塔頂產(chǎn)品采出。 塔頂冷凝器的冷介質(zhì)用量是根據(jù)冷凝器的出口 溫度而定的，當(dāng)冷凝器的冷介質(zhì)用量過多時會造成回流的液相物質(zhì)溫度降低，致使塔內(nèi)溫度降低，造成精餾塔體系不穩(wěn)定，反之亦然。回流罐的回流量根據(jù)回流管路中的物料流量確定，采出物料的量則根據(jù)回流罐的液位來控制，他們流量的變化也會引起精餾塔體系不穩(wěn)定。因而有必要對他們進(jìn)行控制。 27 精餾塔塔釜的控制 由塔釜流出的液相物質(zhì)一部分進(jìn)入塔釜再沸器換熱成氣相，另一部分冷凝后的液相直接采出。塔釜再沸器的熱介質(zhì)用量是根據(jù)再沸器的出口溫度而定的，當(dāng)再沸器的熱介質(zhì)用量過多時會造成回流的氣相物質(zhì)增多，致使塔內(nèi)溫度升高，嚴(yán)重時甚至 會產(chǎn)生液泛。因此必須對其進(jìn)行控制。 本工藝中 塔釜再沸器熱介質(zhì)的用量 是采用通過 檢測其 出口溫度的變化調(diào)節(jié)熱 介質(zhì)進(jìn)料管道的閥門開度來控制 熱 介質(zhì)流量，從而達(dá)到控制 再沸器 出口物料溫度的目的。這種方法是在 再沸器 出口管道上安裝一個溫度控制儀表 （ TC） ，當(dāng) 再沸器 出口物料溫度不等于設(shè)定值時，儀表向控制器發(fā)出信號，控制器調(diào)節(jié)管道上閥門開度，從而改變管道中的流量，使其趨于設(shè)定值。 28 29 4 物料及熱量衡算 總論 物料衡算與熱量衡算是化工過程中最基本的運(yùn)算之一。在已確定化學(xué)生產(chǎn)工 藝和流程后，由定性階段轉(zhuǎn)向定量階段，通過對整個生產(chǎn)系統(tǒng)、生產(chǎn)車間，以及部分重要的生產(chǎn)單元進(jìn)行物料衡算計算出主、副產(chǎn)品的產(chǎn)量，原材料的消耗定額、“三廢”排放量及組成，以及產(chǎn)品收率等各項經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，從而定量地評述初步設(shè)計所選擇的工藝路線、生產(chǎn)方法及工藝流程在經(jīng)濟(jì)上是否合理，技術(shù)上是否先進(jìn)，為后階段的設(shè)計提供數(shù)據(jù)。 本項目是以丙烯、雙氧水為原料，反應(yīng)生成環(huán)氧丙烷、丙二醇等產(chǎn)物。反應(yīng)產(chǎn)物加壓精餾過程，從而分離所需產(chǎn)物。 工藝流程的物料衡算以 Aspen Plus 的流程模擬結(jié)果為基礎(chǔ)所得到的。以工段為單位進(jìn)行物料衡算 ，全流程分為四個工段 ：進(jìn)料工段、反應(yīng) 工段、 丙烯 精餾 、甲醇精餾 工段、 環(huán)氧丙烷精餾 工段。 Aspen Plus 的流程模擬 工藝過程圖如下： 30 31 物料衡算 衡算方法 物料衡算的基本準(zhǔn)則是質(zhì)量守恒定律，利用某進(jìn)出化工過程中某些已知物流的流量和組成，通過建立有關(guān)物料的平衡式和約束式，求出其他未知物流的流量和組成的過程。系統(tǒng)中物料衡算一般表達(dá)式為： 系統(tǒng)中的積累 =輸入 輸出 +生成 消耗 式中，生成或消耗項是由于化學(xué)反應(yīng)而生成或消耗的量 ；積累量可以是正值，也可以是負(fù)值，當(dāng)系統(tǒng)中積累量不為零時稱為非穩(wěn)定狀態(tài)過程；積累量為零時，稱為穩(wěn)定狀態(tài)過程。穩(wěn)定狀態(tài)過程時，可以簡化為： 輸入 =輸出 生成 +消耗 對無化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定過程，又可表示為： 輸入 =輸出 物料衡算包括總質(zhì)量衡算、組分衡算和元素衡算。 進(jìn)料 工段 物料衡算 丙烯、環(huán)氧丙烷、甲醇以一定比例和溫度混合通入混合器。 表 反應(yīng)工段的物料平衡表 管路 S1 S2 S3 壓力 (bar) 溫度（℃） 氣體分率 流量 摩爾 流量 (kmol/h) 摩爾分?jǐn)?shù) % 摩爾 流量 (kmol/h) 摩爾分?jǐn)?shù) % 摩爾 流量 (kmol/h) 摩爾分?jǐn)?shù) % 丙烯 165 雙氧水 甲醇 反應(yīng)工段物料衡算 混合物料經(jīng)過加熱器預(yù)熱到 50℃，加壓到 8bar,進(jìn)入到反應(yīng)器， 丙烯在 TS1 分子篩的催化下，反應(yīng)生成環(huán)氧丙烷等產(chǎn)物。該反應(yīng)段主要包括流化床反應(yīng)器。 表 反應(yīng)工段的物料平衡表 32 管路 S4 S5 S6 壓力 (bar) 溫度（℃） 氣體分率 流量 摩爾流量 (kmol/h) 摩爾分?jǐn)?shù) % 摩爾流量 (kmol/h) 摩爾分?jǐn)?shù) % 摩爾流量 (kmol/h) 摩 爾分?jǐn)?shù) % 環(huán)氧丙烷 水 丙烯 雙氧水 甲醇 丙二醇 總流量 丙烯回收段物料衡算 反應(yīng)后的物料 S6 進(jìn)丙烯回收塔，分離后（ S8）氣體部分主要為丙烯，液體 (S7)部分為環(huán)氧丙烷。 表 丙烯回收工段物料平衡表 管路 S6 S7 S8 壓力 (bar) 溫度（℃） 氣體分率 流量 摩爾流量 (kmol/h) 摩爾分?jǐn)?shù) % 摩爾流量 (kmol/h) 摩爾分?jǐn)?shù) % 摩爾流量 (kmol/h) 摩爾分?jǐn)?shù) % 環(huán)氧丙烷 水 丙烯 雙氧水 甲醇 丙二醇 0. 00 總流量 甲醇回收工段物料衡算 此工段主要是通過精餾將溶劑甲醇回收利用。 33 表 甲醇回收物料平衡表 管路 S7 S9 S10 S11 S12 壓力(bar) 溫度（℃） 氣體分率 流量 摩爾流量 (kmol/h) 摩爾分?jǐn)?shù) % 摩爾流量 (kmol/h) 摩爾分?jǐn)?shù) % 摩爾流量 (kmol/h) 摩爾分?jǐn)?shù) % 摩爾流量 (kmol/h) 摩爾分?jǐn)?shù) % 摩爾流量 (kmol/h) 摩爾分?jǐn)?shù) % 環(huán)氧丙烷 水 丙烯 trace trace 雙氧水 trace 甲醇 丙二醇 trace 總流量 6 環(huán)氧丙烷精餾工段物料衡算 此工段主要是精餾環(huán)氧丙烷。首先甲醇回收后的物料 S11 經(jīng)過換熱器將物料加熱到50℃，壓強(qiáng)加到 ，然后經(jīng)過最后一個精餾塔精餾得到產(chǎn)物環(huán)氧丙烷，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為%。 表 環(huán)氧丙烷精餾塔物料平衡表 管路 26 27 28 壓力 (bar) 溫度（℃） 50 氣體分率 流量 摩爾流量 (kmol/h) 摩爾分?jǐn)?shù) % 摩爾流量 (kmol/h) 摩爾分?jǐn)?shù) % 摩爾流量 (kmol/h) 摩爾分?jǐn)?shù) % 34 環(huán)氧丙烷 水 trace 丙烯 雙氧水 trace trace trace 甲醇 0. 001 丙二醇 0. 00 總流量 能量衡算 基本原理 工程依據(jù)化工設(shè)計中關(guān)于熱量衡算的基本思想和要求，遵循基本規(guī)范與實際工藝相結(jié)合的原則，進(jìn)行熱量衡算書